Mechanika Gruntów. Część. Druga Właściwości Mechaniczne Gruntu

Transkrypt

1 Mechanika Gruntów Część Druga Właściwości Mechaniczne Gruntu

2 Program Przedmiotu 8. Naprężenie w Gruncie Część Druga 8.1 Stan naprężenia w gruncie 8. Naprężenie geostatyczne 8.3 Naprężenie powstałe wskutek działania obciążeń zewnętrznych 8.4 Graficzna interpretacja naprężenia

3 9. Odkształcalność Gruntu 9.1 Opis stanu odkształcenia 9. Ściśliwość gruntu 9.3 Konsolidacja gruntu 9.4 Osiadanie gruntu 10. Wytrzymałość Gruntu na Ścinanie 10.1 Warunek zniszczenia Coulomba Mohra 10. Badania wytrzymałości gruntu na ścinanie 10.3 Parametry wytrzymałościowe gruntu

4 11. Parcie i Nośność Gruntu 11.1 Stany oddziaływania gruntu 11. Parcie spoczynkowe 11.3 Parcie czynne i bierne 11.4 Parcie pośrednie gruntu 11.5 Parcia silosowe 11.6 Nośność podłoża gruntowego

5 8. Naprężenie w Gruncie Stan Naprężenia w Gruncie Naprężenie Geostatyczne Naprężenie Powstałe Wskutek Działania Obciążeń Zewnętrznych Graficzna Interpretacja Naprężenia

6 Stan Naprężenia w Gruncie Naprężenie jest to graniczna wartość stosunku siły działającej na nieskończenie mały element pola przekroju ciała do wymiaru tego pola: σ = lim A 0 N A gdzie: σ -naprężenie N -siła A -pole przekroju Przekrój ciała sztywnego.

7 Naprężenie od dwóch sił skupionych. Naprężenie od obciążenia ciągłego. Każde naprężenie możemy rozłożyć na dwie składowe: prostopadłą do płaszczyzny przekroju nazywaną naprężeniem normalnym σ w płaszczyźnie przekroju nazywaną naprężeniem stycznym τ Zasady superpozycji przy wyznaczaniu wielu sił skupionych. Q 1 Q q Q M M σ q =f(q) M σ q =f(q) σ 1 σ σ

8 Naprężenie pierwotne lub geostatyczne σ γz to naprężenie istniejące w gruncie od ciężaru wyżej leżących warstw. Zgodnie z zasadą superpozycji naprężenie całkowite σ z w gruncie jest sumą naprężenia pierwotnego σ γz i naprężenia od obciążenia zewnętrznego σ qz : σ z = σ γz + σ qz W przypadku przyłożenia obciążenia nie na powierzchni półprzestrzeni, lecz na pewnej głębokości po wykonaniu wykopu, naprężenie całkowite σ z w dowolnym punkcie wyznacza się jako sumę naprężenia pierwotnego geostatycznego σ γz zmniejszonego o odciążenie wykopem σ γz : σ z = ( ) σ σ + σ γz γz qz

9 Napręż ężenie Geostatyczne Wartość pionowej składowej naprężenia geostatycznego σ γz wyznacza się ze wzoru: n gdzie: σ γz = ρ gh i = 1 ρ -gęstość objętościowa gruntu w każdej warstwie i h i -miąższość poszczególnych warstw i g - przyspieszenie ziemskie Wartość poziomej składowej naprężenia geostatycznego σ γx oblicza się ze wzoru: σ = σ = γ x γ K y 0 γ z i σ gdzie: K 0 -współczynnik parcia bocznego w spoczynku, σ γz - pionowa składowa naprężenia pierwotnego.

10 σ γz Składowe naprężenia pierwotnego. σ γy σ γx σ γy σ γx σ γz = γz σ γz σ γx = σ γy = K 0 σ γz Wartość współczynnika K 0 zależy od rodzaju gruntu i historii jego naprężenia i zmienia się w zakresie 0, 0,6 dla gruntów normalnie skonsolidowanych i 0,8,0 dla gruntów prekonsolidowanych.

11 Napręż ężenie Powstałe e Wskutek Działania ania Obciąż ążeń Zewnętrznych Rozkład naprężenia w gruncie od pionowej siły skupionej σ R σ R σ z τ xz σ R σ R σ t σ A = σ A = σ R σ R = R σ cosβ R R A cosβ σ = σ cosβ τ z R xz = σ R sinβ Naprężenie wzbudzone silą skupioną.

12 naprężenie radialne w punkcie M o współrzędnych R, β równa się: σ R = k Q cos β naprężenie pionowe normalne σ z w tym samym punkcie wynosi: 3 Q cos β σ z = σ R cos β = k R z Podstawiając cos β =, otrzymuje się: R R Qz σ z = k 5 R 3 k = oraz 3 π

13 Uzyskuje się naprężenie radialne σ R równe: cos 3 R Q R π β σ = i naprężenie pionowe normalne σ z (w układzie współrzędnych walcowych po podstawieniu wartości k i R = z + r ) = z r z Q z π σ

14 Rozkład Napręż ężenia w Gruncie od Działania ania Obciąż ążenia Ciągłego Zastosowanie superpozycji do wyznaczania naprężenia od obciążenia ciągłego. L=mL i Q Obszar obciążony dzieli się na mniejsze elementy, w środku elementów przykłada się zastępcze siły skupione. Wartość naprężenia pionowego normalnego w dowolnym punkcie ośrodka gruntowego obciążonego wyznacza się na podstawie wzoru Boussinesqa: Q B=nB i R 1 r z σ z Q=qL i B i σ z = πz 3Q 1 + r z 5

15 Wyznaczanie naprężenia pod narożem prostokątnego obszaru obciążonego 0 z r dx B dq dy y x L Na danym obszarze A wydziela się nieskończenie mały element o polu da = dx dy; elementarna siła dq = qda wywołuje w rozpatrywanym punkcie M na głębokości z poniżej powierzchni półprzestrzeni elementarne naprężenie: d σ z = π z 3 dq 1 + r z 5 M dσ z Wyznaczanie naprężeń pionowych od obciążenia ciągłego za pomocą elementarnych zastępczych sił skupionych. Naprężenie pionowe w rozpatrywanym punkcie M od obciążenia ciągłego działającego w obszarze A wynosi: σ z = L B 0 0 πz 3qdxdy x + y 1 + z 5

16 Metoda punktów narożnych umożliwia wyznaczanie naprężenia pionowego oraz sumy naprężeń głównych pod narożem prostokątnego obciążonego obszaru według wzorów: σ zn = q ( LBz L + B + z ) ( )( ) L + z B + z L + B + z + arc tg z L LB + B + z = qη n gdzie: η n -współczynnik wyznaczany z nomogramu w zależności od stosunku L:B (długość obszaru obciążonego do jego szerokości) oraz od stosunku z:b (zagłębienie punktu poniżej powierzchni do szerokości), q - obciążenie ciągłe.

17 0 0,05 0,100 0,150 0,00 0,50 η n A a) F B,0 E M G 4,0 σ zq D H C AFME FBGM EMHD MGCH ( η + η + η + ) q = η n n n n 6,0 b) A B E 8,0 D C F H G M 10,0 z/b Nomogram do wyznaczania współczynnika η n σ zq AEMH BEMG DFMH CFMG ( η η η + ) q = η n n Zastosowanie metody punktów narożnych do obliczania naprężeń w dowolnym punkcie podłoża: a) naroże wewnątrz obciążonego obszaru, b) naroże na zewnątrz obciążonego obszaru. n n

18 Metodą punktów środkowych można wyznaczyć naprężenie pionowe pod środkiem prostokątnego obszaru obciążonego, posługując się wzorem: 0 0, 0,4 0,6 0,8 1,0 η 0 σ = η z 0 q 1,0,0 3,0 4,0 Wartość σz można również wyznaczyć, stosując superpozycję naprężeń pod wspólnym narożem czterech obciążonych prostokątów o bokach L i B. 5,0 z/b Nomogram do wyznaczania współczynnika η 0.

19 Metoda pól wpływowych umożliwia wyznaczanie rozkładu naprężenia pod dowolnie obciążoną powierzchnią, którą dzieli się współśrodkowymi okręgami o promieniach r i na n promieni równoważnych pod względem wartości wzbudzonego przez każde z nich naprężenia pionowego pod środkiem tych kół. Przy r =, η = 1, σ z = q, przy r = 0, η = 0, σ z = 0; przyjmując η = 1/n, można wyznaczyć promień okręgu pierwszego wewnętrznego koła wywołującego naprężenie ze wzoru: r i = z n Następnie można dobrać takie wartości promieni kolejnych okręgów, aby różnica współczynników η = η η = const = 1/ η.

20 Przy założeniu z = const zmienny jest promień r i : r i = z 1 ( 1 η ) i Nomogram Newmarka umożliwia wyznaczenie wartości naprężenia pionowego σ z od obciążenia równomiernie rozłożonego q na dowolnej powierzchni wg wzoru: M σ z = I P W w q w w =0,005 Nomogram Newmarka. z n gdzie: I P - liczba pól wpływu W w -współczynnik wpływu Q - obciążenie ciągłe

21 Przy wyznaczaniu naprężenia punktowego, pod którym wyznacza się naprężenie σ z, należy umieścić w środku nomogramu kontur obciążonego obszaru w skali odpowiadającej danemu zagłębieniu: 1: (z/z n ). Następnie oblicza się liczbę pól zakrytych na nomogramie obszarem obciążonym. wg wzoru: I = I + P c I cz gdzie: I c - liczba pól mieszczących się całkowicie wewnątrz konturów fundamentów I cz - liczba pól przykrytych częściowo obszarem obciążonym.

22 Rozkład Napręż ężenia Pod Fundamentami Sztywnymi a) b) q max S 1 S q 1 Rzeczywisty rozkład naprężeń przy q max S >S 1 Z Teoretyczny rozkład naprężeń Z Rozkład naprężenia pionowego w poziomie posadowienia absolutnie sztywnego fundamentu a) w początkowym okresie obciążenia, b) przy obciążeniu granicznym. Teoretyczny rozkład naprężenia w poziomie posadowienia wyznacza się ze wzoru q σ = gdzie: 1 ρ -odległość rozpatrywanego punktu od ρ 1 środka fundamentu r r-promień podstawy fundamentu

23 Naprężenia pionowe na głębokości z (poniżej poziomu posadowienia) wyznacza się jako naprężenia średnie (całkowe) w obrębie prostokąta znajdującego się pod obszarem obciążanym wg wzoru: zs 1 q = σ z da = A BL A L B L B n ( x, y ) dxdy qη s σ η = gdzie: η s - współczynnik rozkładu naprężenia q σ zs L σ z z Rozkład naprężenia σ z i naprężenie średnie σ zs na głębokości z pod obszarem prostokątnym obciążonym równomiernie

24 0,0 0, 0,4 0,6 0,8 1,0 η s 1,0,0 3,0 4,0 5,0 z/b Nomogram do wyznaczania współczynnika η

25 Rozkład Napręż ężenia Pod Nasypami a) b) b) Schemat do wyznaczania naprężenia pionowego σ z w podłożu gruntowym pod nasypem: a) schemat nasypu, b) nomogram do wyznaczania współczynnika η.

26 Obciążenie od nasypu można podzielić na równomierne pasmowe pasmowe trójkątne Naprężenie w dowolnym punkcie podłoża jest równe sumie naprężeń od obciążenia równomiernego pasmowego i obciążenia pasmowego w postaci dwóch prostokątnych trójkątów a mianowicie: ( )q σ = + + = + + σ σ σ η η η 1 3 z z z z 1 3 gdzie: η -współczynnik odpowiadający obciążeniu pasmowemu o rozkładzie prostokątnym, η 1 i η 3 q -współczynnik odpowiadające obciążeniu pasmowemu o rozkładzie trójkątnym - obciążenie od nasypu (q = γ h).

27 Graficzna Interpretacja Napręż ężenia W każdym punkcie ciała istnieją trzy wzajemnie prostopadłe płaszczyzny (nazywane głównymi), w których wartość naprężeń stycznych równa się zeru, a naprężenia normalne nazywane są naprężeniami głównymi, wyróżniamy: największe naprężenie główne σ 1 najmniejsze naprężenie główne σ 3 pośrednie naprężenie główne σ Gdy K < 1, σ v = σ 1, σ h = σ 3 i σ = σ 3 = σ h. Gdy K > 1 σ h = σ 1, σ v = σ 3 i σ = σ 1 = σ h. Gdy K = 1σ v = σ h = σ 1 = σ = σ 3 występuje izotopowy stan naprężenia. Naprężenia styczne w każdych dwóch wzajemnie prostopadłych płaszczyznach są liczbowo sobie równe τ h = τ v

28 Kierunek s3 a) τ θ σ 1 C A τ θ σ 3 σ θ B Kierunek σ 1 θ Koło Mohra Znając wartość i kierunek składowych naprężenia σ 1 i σ 3, można wyznaczyć naprężenia normalne i styczne w dowolnym kierunku, stosując następujące związki: A (współrzędne σ θ, τ θ ) σ1 σ 3 b) σ 1 + σ 3 θ θ σ θ Koło Mohra σ1 + σ3 σ1 σ3 σ0 = σ1 cos θ + σ3 sin θ = + cos θ τ θ = σ σ 1 3 ( σ σ ) sinθ cos θ = sin. 1 3 θ Graficzne przedstawienie stanu naprężenia za pomocą koła Mohra: a) naprężenie działające na element gruntu, b) wykres Mohra dla stanu naprężenia w danym punkcie A.

29 Odwzorowanie Stanu Napręż ężenia w Układzie p q Przedstawienie na jednym wykresie wielu stanów naprężenia dokonuje się poprzez nanoszenie punktu, którego współrzędne są równe: p = σ 1 + σ 3 q = σ 1 σ W większości przypadków naprężenia główne występują na pionowych bądź na poziomych płaszczyznach, a zatem równania można napisać w postaci: p = σ + v σ h Ten sposób przedstawienia stanu naprężenia w gruncie sprowadza się do naniesienia jednego najwyżej leżącego punktu dla q dodatniego lub najniżej leżącego punktu dla q ujemnego na kole Mohra. q = σ v σ 3 h

30 Ścieżki Napręż ężenia Ścieżka naprężenia to linia prosta lub krzywa powstała w wyniku połączenia szeregu punktów stanu naprężenia naniesionych na wykres, przedstawia ciągłość kolejnych stanów naprężenia. a) b) τ θ A B C D E q Ścieżka naprężenia C B D E σ θ A p Przedstawienie kolejnych stanów naprężenia przy zwiększeniu pionowej składowej naprężenia σ 1 i stałej wartości składowej σ 3;, a) koło Mohra, b) b) wykres p q.

31 a) b) c) q σ v =0 σ h <0 F 1 E σ h =- σ v 5 σ v >0 σ h =0 C 3 A B σ h =1/4 σ v p q σ v =0 σ h <0 E σ v >0 σ h =0 C p q K 0 K<1 K=1 Obciążenie dla σ h /σ v =K p σ v = σ h K>1 Przykład ścieżek naprężeń: a) początkowo σ v = σ h, b) początkowo σ v > σ h > 0 c) początkowo σ v = σ h = 0.

32 9. Odkształcalno calność Gruntów Opis Stanu Odkształcania Ściśliwość Gruntu Konsolidacja Gruntu Osiadanie Gruntów

33 Opis Stanu Odkształcania Każdy ośrodek odkształca się po zmianie układu i wartości działających nań sił. a) b) c) V 1 V V <V 1 Zmiany układu ziaren i cząstek pod wpływem czystego ściskania; a) w gruncie niespoistym, b) w gruncie spoistym, c) po obciążeniu i odkształceniu.

34 a) b) ε 3 σ ε s 1 h 1 h ε t b σ σ Krzywe odkształcalności przy ściskaniu prostym ; a) zależność ε od σ, b) schemat obciążenia i odkształcenia; 1 ośrodka ciągłego, ośrodka rozdrobnionego, 3 wielokrotnie obciążonego ośrodka rozdrobnionego; ε s odkształcenie jednostkowe sprężyste, ε t odkształcenie trwałe.

35 Zależność odkształcenia jednostkowego ε i naprężenia σ w ciałach sprężystych (prawo Hook a): σ = εe gdzie: ε - odkształcenie jednostkowe wg wzoru: E - moduł sprężystości liniowej. ( h h ) h ε = h h = / / 1 współczynnik bocznej rozszerzalności to stosunek jednostkowego rozszerzenia ε x ( ε = b b) do ε : x / v = ε x ε

36 jednostkowe odkształcenie objętościowe ε 0 jest wtedy, gdy mamy do czynienia z czystym ściskaniem (równomiernym ze wszystkich stron): ε 0 = V V Wartość ε 0 z dokładnością do nieskończenie małych wyższego rzędu można przyjąć jako równą sumie trzech jednostkowych odkształceń jednoosiowych: z = V x V ε = ε + ε + 0 W ośrodkach gruntowych między odkształceniami i naprężeniami nie ma zależności liniowej. Dla odróżnienia parametrów odkształcalności gruntów od ciał sprężystych wprowadzony został: moduł odkształcenia E w warunkach jednoosiowego ściskania i swobodnej bocznej rozszerzalności gruntu moduł ściśliwości M w warunkach jednoosiowego ściskania, lecz przy niemożliwej bocznej rozszerzalności próbki gruntu V ε y

37 Ściśliwość Gruntu Ściśliwość to cecha gruntu polegająca na zmniejszaniu się jego objętości pod wpływem przyłożonego obciążenia. Odprężenie to zwiększenie objętości gruntu wskutek zmniejszenia obciążenia (wynik odkształceń sprężystych) Konsolidacja to proces równoczesnego zmniejszania się zawartości wody i objętości porów w gruntach pod wpływem przyrostu naprężeń. (Jeżeli pory są całkowicie wypełnione wodą, lecz jej odpływ jest niemożliwy, to przyłożone obciążenie powoduje zwiększenie ciśnienia wody w porach, nie powodując wzrostu naprężenia efektywnego σ. Cząstki gruntu nie ulęgają przesunięciu i konsolidacja nie występuje).

38 Ściśliwość gruntu opisuje się zależnością porowatości od naprężenia. a) b) e a e c b d e σ [kpa] log σ [kpa] Krzywa ściśliwości: a) w podziałce liniowej, b) w podziałce półlogarytmicznej.

39 Od historii naprężenia zależy kształt krzywej ściśliwości gruntów spoistych. Wyróżnia się grunty: normalnie skonsolidowane takie, w których obecnie występujące w gruncie naprężenie efektywne jest największe ze wszystkich, jakie dotychczas w danym gruncie wystąpiły. Kształt krzywej ściśliwości jest prostoliniowy (lub zbliżony); i nosi ona nazwę pierwotnej. prekonsolidowane takie, które przenosiły już w swej historii większe naprężenia, (np. teren obciążony był lodowcem albo warstwami gruntu, następnie wyerodowanymi przez rzekę). Krzywa ściśliwości w podziałce półlogarytmicznej będzie miała kształt zakrzywiony.

40 e c a b d Współczynnikiem prekonsolidacji nazywa się stosunek największej wartości naprężenia efektywnego σ p, które wystąpiło w gruncie w przeszłości, do wartości naprężenia od ciężaru własnego występującego obecnie σ 0 f e OCR = σ p σ 0 ' ' σ p log σ OCR = 1 - grunty normalnie skonsolidowane Krzywa ściśliwości gruntu prekonsolidowanego. OCR > 1 - grunty prekonsolidowane

41 Parametry Charakteryzujące Ściśliwość Gruntu Zachowanie się gruntu pod obciążeniem lub po odciążeniu bada się w laboratorium edometrem lub konsolidometrem. czujnik Q ramka obciążająca filtr górny osłona gumowa pierścień Schemat edometru h Q/ filtr dolny Q/

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52 Wskaźnik ściśliwości gruntu normalnie skonsolidowanego C c określa się na podstawie nachylenia pierwotnej krzywej ściśliwości, narysowanej w skali półlogarytmicznej C c = e 1 log e σ σ 1 ' ' Wskaźnik ściśliwości gruntu prekonsolidowanego C r określa się w zależności naprężenia mniejszego od naprężenia σ p prekonsolidacji ze wzoru: C r = e 1 log e σ σ p 1

53 Edometryczny moduł ściśliwości przyjmowany jest do obliczania osiadań (nie może być identyfikowany z modułem odkształcenia): M = H H 1 ( σ ) 1 σ H ' 1 ' Różnicę pomiędzy modułem odkształcenia E i modułem edometrycznym. wyjaśnia zależność: M = E 1 v ( 1 + v)( 1 v) v -współczynnik Poissona

54 W celu odróżnienia charakterystyki ściśliwości gruntu w zakresie naprężeń mniejszych od naprężenia prekonsolidacji, (a więc przy obciążeniu powtórnym, od zachowania się przy obciążeniu po raz pierwszy), wprowadzono: edometryczny modułściśliwości pierwotnej M 0 edometryczny modułściśliwości wtórnej M

55 Konsolidacja Gruntu Konsolidacja to proces polegający na odkształceniu gruntu spoistego wskutek przyłożonego obciążenia równocześnie z rozpraszaniem się nadwyżki ciśnienia wody u Proces ten związany jest z odpływem z gruntu wody (zmniejsza się jej objętość w porach), a zatem zależy od filtracyjnych właściwości gruntu. Etapy procesu konsolidacji: ściśliwość natychmiastowa lub początkowa; odkształcenie to występuje w chwili przyłożenia obciążenia, konsolidacja pierwotna odpowiadającą procesowi konsolidacji wg teorii Terzaghiego; proces odkształcenia jest w tym etapie uwarunkowany odpływem wody, ściśliwość wtórna, występującą po rozproszeniu nadwyżki ciśnienia wody w porach spowodowanej obciążeniem; proces ten postępuje przy stałym naprężeniu efektywnym.

56 Równanie konsolidacji wprowadzone przez Terzaghiego, opisuje zmianę ciśnienia wody w porach u w czasie t, na dowolnej głębokości z; ma ono postać: u t = c v u z Współczynnik konsolidacji: c v = m k v γ w

57 Rozwiązanie równania Terzaghiego przy danym przyroście naprężenia, po rozwinięciu w szereg Taylora, można przedstawić w postaci: σ = σ 1 ' σ ' ' 0 ( σ ' ' ) f ( z ) f ( ) u = σ = Tv n 0 u = n = 0 u M 0 sin M H z exp( M T v ) gdzie: z - parametr geometryczny wyrażający stosunek zagłębienia rozpatrywanego punktu Z do miąższości warstwy konsolidowanej H T v - czynnik czasu, zależny od współczynnika konsolidacji c v Czynnik czasu oblicza się ze wzoru: T v = c v H t gdzie: c v -współczynnik konsolidacji t - czas trwania procesu konsolidacji H - miąższość warstwy konsolidowanej

58 Graficzna interpretacja warunków brzegowych: Warstwa przepuszczalna u i =const u Warstwa H H 1 1 konsolidowana Warstwa nieprzepuszczalna T v = Warstwa przepuszczalna z Zmiana rozkładu ciśnienia wody w porach w procesie konsolidacji

59 Dla dowolnego elementu warstwy gruntu spoistego położonego na dowolnej głębokości z postęp procesu konsolidacji, przy danym wzroście naprężenia efektywnego, może być wyrażony w zależności od wskaźnika porowatości jako stopień konsolidacji U: gdzie: U z = e 0, e 1 -wskaźniki porowatości, odpowiednio przed rozpoczęciem i po zakończeniu konsolidacji, e -wskaźnik porowatości w momencie wyznaczania stopnia konsolidacji. Stopień konsolidacji można także wyrazić zależnością: w której: U z = e e e e 1 u1 u u = 1 u u u 1 - przyrost ciśnienia wody w porach ponad wartość początkową u 0, natychmiast po zwiększeniu naprężenia całkowitego, u-nadwyżka ciśnienia wody w porach ponad wartość początkową u 0, w rozpatrywanym procesie konsolidacji, w którym naprężenie efektywne wynosi σ. 1

60 rrównanie konsolidacji dla stopnia konsolidacji U z ma postać: ( z ) f ( T ) U z = f 1 n 0 1 = v U = 1 z n = 0 M sin M H z exp( M T v ) W praktyce najczęściej uwzględniany jest średni stopień konsolidacji U, wyznaczony dla całej rozpatrywanej warstwy, umożliwiający obliczenie przebiegu osiadania; mnożąc bowiem U przez osiadanie całkowite S c, można wyznaczyć osiadanie w danym czasie S t S = U S t c

61 Parametry Charakteryzujące Konsolidację Współczynnik konsolidacji c v wyznacza się na podstawie edometrycznej krzywej konsolidacji, skorygowanej odpowiednio w nawiązaniu do krzywej teoretycznej, oraz ze wzoru (przy czym uwzględnia się T v = 0,196 dla stopnia konsolidacji U = 0,5 odczytanego z teoretycznej krzywej początkowej na rysunku): c v = w którym: 0,196 t 50 H H - połowa wysokości próbki w edometrze t 50 -wartość odczytana ze skorygowanej krzywej konsolidacji dla U = 0 Osiadanie próbki w edometrze a 0 a 1 A y y t B 1 t =4t 1 t 50 u=50% u=0% u=100% Czas (log) Wyznaczanie współczynnika konsolidacji c v wg Casagrandego

62 Ściśliwością wtórną nazywane jest zjawisko odkształcenia próbki przebiegające po rozproszeniu się (spowodowane obciążeniem) ciśnienia wody w porach. Odkształcenie to zachodzi bardzo powoli, przy stałym naprężeniu efektywnym. Współczynnik ściśliwości wtórnej C α jest parametrem opisującym to zjawisko i jest zdefiniowany wzorem: e C α = log t przy czym: e - przyrost wskaźnika porowatości na odcinku krzywej, w granicach t 1 i t t = t t 1.

63 Osiadanie Gruntów Osiadaniem nazywa się pionowe przemieszczenie powierzchni obciążonej warstwy gruntu. Odprężenie to pionowe przemieszczenie ku górze powierzchni warstwy przy zdjęciu obciążenia (np. po wykonaniu wykopu). Całkowite osiadanie podłoża S jest sumą osiadania: początkowego S i konsolidacyjnego S c wtórnego S s

64 Osiadanie początkowe (S i ), wynikające z postaciowych odkształceń nasyconego ośrodka gruntowego przebiega najczęściej w warunkach przyrostu nadwyżki ciśnienia porowego. Występuje ono głównie podczas obciążania podłoża i w krótkim czasie po przyłożeniu obciążenia. Osiadanie konsolidacyjne (S c ), wynikające z rozpraszania, powstałej po przyłożeniu obciążenia, nadwyżki ciśnienia porowego. Prędkość konsolidacji pierwotnej zależy od zmian objętościowych i charakterystyk przepuszczalności gruntu, jak również od usytuowania warstw drenujących. Ściśliwość wtórna (pełzanie) szkieletu gruntowego (S s ), wynikająca z plastycznych odkształceń szkieletu gruntowego pod wpływem naprężenia efektywnego. Osiadanie całkowite podłoża gruntowego pod obciążeniem można zapisać w postaci: S = S + S + i c S s

65 S i = I Obliczanie Osiadań Początkowych v E q u b gdzie: q - obciążenie podłoża b - szerokość obciążonej strefy E u -moduł odkształcenia bez odpływu H - miąższość warstwy ściśliwej I v -współczynnik wpływu odkształceń zależny od geometrii budowli 3,0 l - długość q l = ν = 0,5 µ 1,0 h f h b µ ,0 I v =µ 1 µ 0 ν = 0,5 l/b = kwadrat 1 koło 6 l/b 5 0, h f /b 0 0, h/b Współczynnik I v dla przemieszczeń pionowych pod jednorodnym obciążeniem pasmowym.

66 Obliczanie Osiadań Konsolidacyjnych S = σ H / c v M lub S c = ε c H gdzie: M edometryczny moduł ściśliwości ε c odkształcenia konsolidacyjne σ v przyrost pionowej składowej naprężenia H miąższość słabego podłoża

67 Dla bardzo ściśliwych gruntów prekonsolidowanych, odkształcenie konsolidacyjne ε c określa się zgodnie z następującym wzorem: ε c e C ' C ' r p = = log + c log 1+ e 1+ e σ' 1+ e σ' o o σ vo o σ vf p gdzie: e o początkowy wskaźnik porowatości σ vf końcowe efektywne naprężenie pionowe e zmiana wskaźnika porowatości C r wskaźnik ściśliwości dla σ v σ p σ vo początkowe efektywne naprężenie pionowe, C c wskaźnik ściśliwości dla σ v >σ p σ p naprężenie prekonsolidacji

68 Obliczanie Osiadań Wtórnych Osiadania wywołane wtórną ściśliwością S s wyznacza się z następującej zależności: w sposób klasyczny lub S C log( t / t ) H /(1 + s = α S = C log( t / t ) H s αε f p f p e o ) ( ) C α = C αε 1+ e 0 gdzie: t f czas; koniec okresu prognozy t p czas; koniec pierwotnej konsolidacji de C α = -współczynnik wtórnej ściśliwości d log t dε Cαε = -współczynnik wtórnej ściśliwości d logt

69 10. Wytrzymałość Gruntu na Ścinanie Warunek Zniszczenia Coulomba Mohra Badania Wytrzymałości Gruntu na Ścinanie Wyniki Badań Wytrzymałość Gruntu na Ścinanie

70 Warunek Zniszczenia Coulomba Mohra Wytrzymałością gruntu na ścinanie nazywany jest odniesiony do jednostki powierzchni granicznej opór opisywany naprężeniem stycznym jaki ośrodek gruntowy stawia siłom przesuwającym. Warunek granicznej wartości największego naprężenia stycznego można przedstawić wykreślnie jako obwiednię do kół Mohra podających stan naprężenia dla różnych wartości naprężeń głównych σ 1, σ 3 τ ( ) = 0 f σ n Obwiednie Coulomba Mohra.

71 Najczęściej przyjmuje się zależność liniową między naprężeniem normalnym i stycznym zgodnie z warunkiem Coulomba (177). τ f = c + σ tg Φ w której:τ ƒ - wytrzymałość gruntu na ścinanie σ - naprężenie normalne, prostopadłe do powierzchni ścinania c, Φ - parametry wytrzymałości na ścinanie, które nazywane są odpowiednio spójnością oraz kątem tarcia wewnętrznego

72 Geometryczną interpretację warunku zniszczenia Coulomba Mohra przedstawia koło Mohra i styczna do niego: τ ff = σ ff tgϕ + c σ 1f τ ϕ σ 3f σ ff α f τ ff c 45 + ϕ c ctgϕ σ 3f σ 1f σ Wykres Coulomba Mohra dla gruntu spoistego.

73 Warunek zniszczenia można zatem zapisać w funkcji naprężeń głównych: lub sin Φ = 1 ( σ σ ) 1 f 1 ( σ σ ) c cot Φ + 1 f 3 3 f f ( + ) sin Φ σ σ f 3 f = ccosφ + σ σ 1 f 3 1 f gdzie: σ 1, σ 3 naprężenia główne.

74 Badania Wytrzymałości Gruntu na Ścinanie Badania Laboratoryjne Badania laboratoryjną sondą stożkową Badania laboratoryjną sondą krzyżakową Badania prostego ścinania Badania trójosiowe Badania bez konsolidacji i odwadniania (UU) Badania z konsolidacją, bez odwadniania (CU) Badania z odwadnianiem (CD)

75 Badania laboratoryjną sondą stożkową wykorzystywane są do określania wytrzymałości gruntu na ścinanie bez odpływu. a) b) Stożek Kąt wierzchołkowy β Masa [g] A B C D Laboratoryjna sonda stożkowa: a) schemat aparatu, b) dane dotyczące stosowanych stożków.

76 Badanie laboratoryjną sondą stożkową wykorzystywane jest również do określenia wrażliwości gruntu S t, zdefiniowanej jako stosunek wytrzymałości na ścinanie gruntu o strukturze nienaruszonej do wytrzymałości na ścinanie gruntu o strukturze zniszczonej. Hasnbo (1957) podał zależność na określenie wytrzymałości na ścinanie τ fc τ fc = K c m c g / d c gdzie: τ fc - wytrzymałość na ścinanie określona laboratoryjna sond stożkową K c -stała zależność od kąta wierzchołkowego stożka i rodzaju gruntu m c - masa stożka g - przyspieszenie ziemskie d c -głębokość penetracji stożka

77 Badania laboratoryjną sondą krzyżową służą do wyznaczania zależności na ścinanie bez odpływu. a) b) c) D > 3,5 D v H H v h H D v > 3 v H v Próbka h H Firma Katedra Geotechniki SGGW Wykeham Farrance symbol E 100 E 500 E 1000 WF 3510 WF 350 WF 3513 Krzyżak średnica D v [mm] ,7 1,7 5,4 wysokość H v [mm] ,7 5,4 5,4 D Laboratoryjna sonda krzyżowa: a) schemat aparatu, b) wymagania dotyczące minimalnych wymiarów badanej próbki, c) dane dotyczące stosowanych krzyżaków.

78 Wartość wytrzymałości na ścinanie τ vf obliczana jest, przy założeniu powierzchni ścięcia o kształcie walca wyznaczanego wymiernymi krzyża sondy ze wzoru: τ fv = π D M v H max v + D 3 v gdzie: τ fv - wytrzymałość na ścinanie określona sondą krzyżową, M max - maksymalny moment obrotowy w momencie ścięcia, D v, H v - średnica i wysokość krzyża sondy. Równanie to uwzględnia założenie izotropii właściwości wytrzymałościowych badanego gruntu oraz jednorodności rozkładu naprężenia ścinającego wokółścinanego walca gruntu.

79 Badania prostego ścinania umożliwiają wyznaczanie wytrzymałości na ścinanie, przy wierniejszym modelowaniu stanów naprężenia w podłożu wywołanych obciążeniem. a) c) σ vc σ hc = K σ vc 0 τ h b) γ τ = c ' + f σ vc tg ϕ Aparat prostego ścinania: a) próbka otoczona gumową membraną i zestawem równomiernie rozmieszczonych pierścieni, b) gumową membraną wzmocnioną drutem, c) warunki naprężenia i odkształcenia podczas ścinania.

80 Badania trójosiowe dają możliwość wierniejszego odwzorowania stanu naprężenia.badanie obejmuje: rekonsolidację próbki gruntu, konsolidację próbki, ścinanie próbki. t=0,5(σ 1 -σ 3 ) ściskanie σ 3 σ 3 σ 1 t=0,5(σ 1 -σ 3 ) ściskanie σ 3 σ 3 σ 1 K 0 σ 1 σ 1 σ 1 s=0,5(σ 1 +σ 3 ) σ 1 s=0,5(σ 1 +σ 3 ) σ 3 σ 3 σ 3 σ 3 σ 1 σ 1 wydłużanie wydłużanie Ścieżki naprężenia stosowane w modelowaniu warunków obciążenia podczas ścinania w badaniach trójosiowych przy ścinaniu i przy wydłużaniu. Próbka przed ścinaniem konsolidowana: a) izotropowo, b) anizotropowo.

81 Badania w aparacie trójosiowym przeprowadza się według jednego z trzech niżej podanych sposobów, różniących się odciążeniem i odwadnianiem próbki. 1. Badania bez konsolidacji i odwadniania (UU); zawartość wody w próbce utrzymywana jest przez cały czas doświadczenia bez zmian.. Badania z konsolidacją, bez odwadniania (CU); próbka konsolidowana jest dla celów praktycznych często przy obciążeniu izotropowym σ 3, lecz w czasie obciążenia, któremu odpowiada różnica naprężeń σ 1 σ 3, dążącego do zniszczenia próbki, odsączanie wody jest uniemożliwione. 3. Badania z odwadnianiem (CD); próbkę konsoliduje się jak w badaniach typu CU, jednak po przyłożeniu obciążenia odpowiadającego różnicy naprężeń σ 1 σ 3 ; odpływ wody jest nadal umożliwiony; wzrost naprężeń powinien być na tyle powolny, aby nie występowało ciśnienie wody w porach.

82 Badania Terenowe Badania sondą skrzydełkową Badania sondą statyczną CPT Badanie dylatometryczne DMT

83 Badania sondą skrzydełkową pozwalają na wyznaczanie in situ wytrzymałości na ścinanie gruntów spoistych w warunkach bez możliwości odwodnienia (UU) Wytrzymałość na ścinanie τf, (odpowiadającą spójności c w warunkach bez odwodnienia), oblicza się ze wzoru: τ f = π d M T h + d 6 3 gdzie: M T - moment skręcający, występujący przy ścięciu, D - średnica sondy (szerokość obrotu skrzydełłącznie) H - wysokość skrzydełek.

84 a) 3 1 c) Wytrzymałość na ścinanie τ f S t = τ τ τ f -wytrzymałość maksymalna τ R -wytrzymałość resztkowa f R τ R Kąt obrotu skrzydełka H D 4 Typowe wymiary wg PN-74/B-0445 lab. 34 x 17 mm pol. 80 x 40 mm 10 x 60 mm 180 x 80 mm b) 5 6 Schemat ścinania gruntu sondą skrzydełkową: a) zasada działania, b) przekrój skrzydełka z zaznaczeniem strefy naruszonej, c) wynik badania. 4

85 Badania sondą statyczną CPT polegają na wciskaniu końcówki stożka ze stałą prędkością (0,0 m/s) i wykonywaniu odczytów oporu stożka q c i tarcia na tulei f s. Badanie piezostożkiem CPTU umożliwia również pomiar ciśnienia wody w porach u, obejmujący: pomiar wartości in situ u 0, (które równe jest ciśnieniu hydrostatycznemu) nadwyżki ciśnienia wody w porach u wywołanej przez penetrację stożka, (uzależnionej od zachowania gruntu i geometrii stożka) Ciśnienie u = u 0 + u

86 Wykorzystując wyniki badań sondą statyczną można obliczyć wartość wytrzymałości na ścinanie bez odpływu z równania (Eide 1974): fu ( q )/ N T vo KT τ = σ Tarcie na tulei, (f s ) gdzie: q -całkowity opór na ostrzu stożka, T = qc + uc ( 1 ac ) q c - pomierzony opór stożka, u c -ciśnienie wody w porach wokół stożka podczas penetracji. a c -współczynnik powierzchni, stały dla określonego rodzaju stożka, σ vo -całkowite pionowe naprężenia od nadkładu in situ N KT - empiryczny współczynnik stożka, w odniesieniu do q t. Ciśnienie porowe, (u) Opór stożka, (q c ) Schemat piezostożka.

87 u 3 u 3 Powierzchnia przekroju (górna) A st Tarcie na tulei, (f s ) Penetrometr stożkowy Powierzchnia tulei ciernej A s u A n Powierzchnia przekroju (dolna) A sb u u 1 Stożek u Powierzchnia przekroju poprzecznego A c Lokalizacja filtrów do pomiaru ciśnienia porowego. Schemat korekty oporu stożka i tarcia na tulei.

88 Badanie dylatometryczne DMT polega na pomiarach ciśnienia gazu działającego na membranę wykonywanych na wybranych głębokościach podczas pogrążania łopatki dylatometru w podłoże gruntowe. Ciśnienie p 0, p 1 i p razem z obliczoną wartością składowej pionowej naprężenia efektywnego σ vo i wartością ciśnienia wody w porach u o oszacowanego w warunkach in situ służą do wyznaczenia następujących wskaźników dylatometrycznych: wskaźnik materiałow I D = p p 1 0 p u 0 0 wskaźnik bocznego naprężenia K D = p0 u σ' vo 0 moduł dylatometryczny wskaźnik ciśnienia wody E D = ( p ) 34,7 p U D = p p 0 1 u u 0 0 0

89 a) b) c) siła wciskająca łopatka dylatometru jednostka kontrolna butla z gazem 14mm 1 50mm 180 mm 100 mm 60mm 95mm 1 3 Sygnał ON pomiar OFF p 0 ON (OFF) ON p 1... p Schemat dylatometru: a) zestaw pomiarowy, b) łopatka dylatometru, c) wykonywanie pomiarów

90 Zależność empiryczna dla gruntów spoistych zaproponowana przez Marchettiego (1980) umożliwia określenie wytrzymałości na ścinanie bez odpływu τ fu : τ σ fu ' v = 0, ( 0,5 K ) D 1,5 Podana przez Marchettiego zależność opisuje zmianę wytrzymałości na ścinanie τ fu głównie dla gruntów prekonsolidowanych.

91 Wyniki Badań Wytrzymałość Gruntu na Ścinanie Wyniki Badań Wytrzymałości Gruntów w Niespoistych Wytrzymałość na ścinanie gruntów niespoistych zależy: dla danego gruntu od wskaźnika porowatości (zagęszczenia) dla różnych gruntów od różnic w ich uziarnieniu (wymiarów, kształtu, obtoczenia ziaren) Tabela: Zakresy kąta Ф w przypadku piasków wg R. F. Craiga. Rodzaj piasku Luźny Zagęszczony Piasek równoziarnisty, ziarna obtoczone 7 35 Piasek dobrze uziarniony, ziarna nieobtoczone Pospółka Piasek pylasty

92 Wyniki Badań Wytrzymałość Gruntów w Spoistych. Wytrzymałość na ścinanie UU występuje, gdy woda w porach gruntu spoistego ma uniemożliwiony lub bardzo ograniczony odpływ. W praktyce warunki takie zdarzają się, gdy grunt spoisty zostanie obciążony tak szybko, że jego konsolidacja nastąpi jedynie w nieznacznym zakresie. W badaniu trójosiowym warunki UU modeluje zamknięcie odpływu wody przez cały okres doświadczenia. τ Φ Φ = 0 c u σ Obwiednie zniszczenia z badań UU gruntów spoistych całkowicie nasyconych (S r = 1).

93 τ S r <100% S r 100% Φ c σ Obwiednia zniszczenia z badań UU gruntów spoistych o niepełnym nasyceniu.

94 Obwiednie zniszczenia z badań CU gliny normalnie skonsolidowanej. Wytrzymałość na ścinanie CU występuje, gdy po wcześniejszym skonsolidowaniu gruntu, w czasie ścinania uniemożliwiony jest odpływ wody. W praktyce warunki takie zdarzają się, gdy np. po powolnym wznoszeniu budowli wprowadza się obciążenie zmienne w stosunkowo krótkim czasie. W badaniach trójosiowych warunki CU są modelowane przez konsolidację próbki, a następnie przez ścinanie jej bez możliwości odpływu. τ Φ Φ c u 1 u σ, σ

95 Próbka gruntu prekonsolidowanego wykazuje przy ścinaniu tendencję do zwiększania objętości, ciśnienie wody w porach maleje, a nawet może przyjąć wartość ujemną. τ Φ Φ - u σ, σ Obwiednie zniszczenia z badań CU gliny prekonsolidowanej.

96 Jeżeli badania obejmują zakresem naprężeń stan prekonsolidowany i normalnie skonsolidowany, to wyniki badań będą odpowiadały przedstawionym na rysunku: τ σ p Zakres prekonsolidacji Zakres normalnej konsolidacji Φ Φ σ, σ Obwiednie zniszczenia przy naprężeniach mniejszych i większych od naprężenia prekonsolidacji.

97 Wytrzymałość na ścinanie CD występuje gdy po wcześniejszym skonsolidowaniu gruntu, również w czasie ścinania odpływ wody jest możliwy w takim stopniu, że nie powstaje nadwyżka ciśnienia wody w porach. Warunki takie występują w okresie eksploatacji budowli, gdy nie ma dodatkowych obciążeń. W badaniach trójosiowych warunki CD modelowane są przez bardzo powolne zwiększenie naprężeń tak, aby nie został spowodowany przyrost ciśnienia wody w porach. τ Zakres prekonsolidacji Zakres normalnej konsolidacji σ p σ Obwiednie zniszczenia w badaniach CD gliny prekonsolidowanej.

98 11. Parcie i Nośno ność Gruntu Stany Oddziaływania Gruntu Parcie Spoczynkowe Parcie Czynne i Bierne Parcie Pośrednie Gruntu Parcie Silosowe Nośność Podłoża Gruntowego

99 Stany Oddziaływania Gruntu Powstanie stanów granicznych jest związane z odkształceniami. W płaszczyźnie między gruntem a ścianą istnieje ciśnienie, którego wartość w bardzo znaczącym stopniu zależy od zachowania się konstrukcji inżynierskiej pod wpływem obciążenia. a) b) c) Przemieszczanie ściany.

100 Parcie gruntu w spoczynku działa na ścianę wtedy, jeżeli istniejąca ściana jest idealnie sztywna i nie ulega odkształceniom pod wpływem obciążenia gruntem, a jednocześnie, jeżeli ściana ta jako całość nie wykazuje żadnego przesunięcia. Parcie bierne określane jako odpór gruntu istnieje wtedy, jeśli na ścianę działa jakaś siła zewnętrzna powodująca przesunięcie jej w kierunku do gruntu (ciśnienie między ścianą a gruntem ulega zmianie). Parcie czynne gruntu istnieje wtedy, gdy ściana ulegnie przesunięciu w kierunku od gruntu

101 Jednostkowe parcie czynne to najniższa wartość poziomej składowej naprężenia w stanie granicznym (rozwinie się całkowita wytrzymałość gruntu na ścinanie). Współczynnik parcia czynnego K a pionowego. to stosunek naprężenia poziomego do K a = σ σ ha v = σ σ 3 f 1 f = sin φ = 1+ sin φ 1 tg 45 φ = 1 1+ tgα tgα Jednostkowe parcie bierne (jednostkowy odpór) to najwyższa wartość składowej poziomej naprężenia w stanie granicznym. Współczynnik parcia biernego K p pionowego. to stosunek naprężenia poziomego do K p = σ σ hp v = σ σ 1 f 3 f = + sinφ 1 sinφ 1 = tg 45 + Φ = 1+ 1 tgα tgα

102 τ θf σ ha =K a σ v Φ Φ σ v σ hp =K p σ v σ θf Stan naprężenia czynny Stan naprężenia bierny Stany naprężenia Rankine a w warunkach geostatycznych.

103 Przy wyznaczaniu parcia gruntu należy uwzględnić: kształt i sztywność konstrukcji oporowej rodzaj gruntu: rodzimy lub zasypowy warunki wodne w otoczeniu konstrukcji oporowej przewidywane przemieszczenie konstrukcji w kierunku gruntu i od gruntu sposób wykonania i zagęszczenia zasypu przemarzanie i właściwości gruntu pęczniejącego obciążenia statyczne i dynamiczne działającego w obrębie klina odłamu

104 E Obciążenie graniczne (odpór) Nieograniczone płynięcie plastyczne Oddziaływanie sprężyste Ciągłe płynięcie plastyczne Obciążenie graniczne (parcie) E II E p ρ Przemieszczenie w kierunku od gruntu E a E I E 0 ρ a ρ I ρ II ρ p Parcie Odpór Przemieszczenie w kierunku gruntu ρ E a δ a δ p E p E E 1 < E 0 ρ = 0 E a < E II E p Oddziaływanie gruntu na konstrukcję oporową w zależności od jej przemieszczania.

105 1. Parcie czynne gruntu E a. Jest to wypadkowa siła działająca od strony ośrodka gruntowego, spowodowana przemieszczeniem konstrukcji lub jej elementu w kierunku od gruntu o wartości dostatecznej do uzyskania najmniejszej wartości parcia gruntu. Parcie czynne występuje w przypadku ścian oporowych i ścianek szczelnych, ścian szczelinowych, płyt kotwiących, obudowy wykopów itp.). Parcie pośrednie gruntu E 1. Jest to wypadkowa sił działających od strony ośrodka gruntowego, spowodowana przemieszczaniem konstrukcji mniejszym od przemieszczania powodującego wystąpienie parcia granicznego, czynnego. Parcie pośrednie występuje w przypadku ścian doków suchych, śluz, ścian basenów, kotwionych ścian szczelinowych, przyczółków mostowych, itp.) 3.Parcie spoczynkowe gruntu E 0. Jest to wypadkowa siła działająca od strony ośrodka gruntowego, gdy nie istnieje możliwość przesunięcia konstrukcji lub jej elementu. (Parcie spoczynkowe występuje przy obudowach tuneli zagłębionych w gruncie, ścianach budynku itp.)

106 4. Odpór pośredni gruntu E II. Jest to reakcja podłoża gruntowego w przypadku, gdy konstrukcja lub jej element ulegnie przemieszczeniu w kierunku ośrodka gruntowego, nie przekraczającemu przemieszczenia powodującego wystąpienie odporu granicznego (parcia biernego). (Odpór pośredni może wystąpić w przypadku ścian oporowych, podpór mostów łukowych, masywnych nabrzeży łukowych itp.) 5. Odpór graniczny (parcie bierne) gruntu Ep. Jest to reakcja podłoża gruntowego spowodowana przemieszczaniem konstrukcji lub jej elementu w kierunku gruntu, o wartości wystarczającej do osiągnięcia przez odpór wartości największej. (Odpór graniczny może występować w przypadku płyt lub innych elementów kotwiących, nośności podłoża fundamentowego, nabrzeży masywnych itp.) 6. Parcie silosowe gruntu Es. Jest to siła działająca od strony grunt na ścianą oporową w przypadku, gdy strefa klina odłamu jest ograniczona przez blisko zalegającą przeszkodę. (Jest to częsty przypadek obciążenia gródź, szybów, bunkrów, nabrzeży płytowych itp.)

107 Parcie Spoczynkowe Parciem spoczynkowym nazywamy ciśnienie, które ośrodek gruntowy będący w stanie równowagi wywiera na ścianę oporową, przy jej zerowym przemieszczeniu. (Parcie to określa się wzorami definiującymi poziomą składową naprężenia mnożąc współczynnik parcia spoczynkowego K 0 przez pionową składową naprężenia in situ σ vo.) Wyznaczenia współczynnika parcia spoczynkowego K 0 : wzór Jaky ego dla gruntów normalnie skonsolidowanych gdzie: Φ kąt tarcia wewnętrznego gruntu K 0 = 1 sinφ' wzór Schmidta dla gruntów prekonsolidowanych gdzie: OCR współczynnik prekonsolidacji K ( ) sin φ ' 1 sin φ OCR 0 = ' wzór rozpatrujący grunt jako materiał sprężysty gdzie: v współczynnik Poissona dla gruntu K 0 v = 1 v

108 ujęcie według normy PN-83/B-03010, według tej normy jednostkowe parcie spoczynkowe wyznacza się ze wzoru: e + ( z h ) z 0 0 = σ z K 0 = γ γ K a wypadkową parcia spoczynkowego gruntu ze wzoru: 1 E0 = hk γ 0 + ( h p) gdzie: σ zγ -składowa pionowa ciężaru własnego gruntu K 0 p -współczynnik parcia spoczynkowego h z = p /γ -wysokość zastępcza naziomu - obciążenie naziomu równomiernie rozłożone

109 Parcie Czynne i Bierne Metody stosowane do oceny parcia gruntu na konstrukcje oporowe to: Metoda Rankine a (1857) Metoda Coulomba (1776) Graniczny stan naprężenia powstaje przy wystąpieniu wystarczająco dużego odkształcenia w gruncie.

110 Stan graniczny w gruncie w opisie Rankine a.

111 Metoda Rankine a Teoria Rankine a opisuje stan naprężenia w gruncie w momencie osiągnięcia w nim stanu plastyczności. W przypadku ruchu ściany w kierunku od gruntu następuje zmniejszenie wartości składowej σ x do wartości minimalnej w chwili osiągnięcia stanu granicznego zwanego czynnym. W stanie tym składowa pozioma σ x jest mniejszą składową naprężenia głównego σ 3 a składowa pionowa σ z jest większą składową naprężenia głównego σ 1. σ 1 sin = σ sin Φ Φ 3 c ( 1 sin Φ) 1 + sin Φ σ 1 sin Φ = σ sin Φ 3 c sin sin Φ Φ

112 ( ) Odpowiednio tg 1 sin Φ 45 Φ / może być zastąpiony przez przy czym σ sin Φ jest pionową składową naprężenia na głębokości z, zatem: σ 1 = ρ g z gdzie: ρ -gęstość objętościowa gruntu, g - przyspieszenie ziemskie. Pozioma składowa naprężenia σ 3 definiowana jako parcie czynne gruntu p a może być określone z zależności w postaci: p = K ρ g z c a a K a gdzie: K a sin Φ = = 1 + sin Φ 1 0 tg ( 45 Φ / ) c - spójność gruntu. Φ -kąt tarcia wewnętrznego

113 a) Ściana Parcie czynne Parcie bierne σ z σ x z b) c) θ θ θ θ Rankinowski stan czynny θ = 45 + Rankinowski stan bierny ϕ

114 Kiedy ruch ściany następuje w kierunku do gruntu to występuje przyrost wartości poziomej składowej σ x do wartości maksymalnej w chwili osiągnięcia stanu granicznego zwanego biernym. W stanie tym składowa pozioma σ x jest większą składową naprężenia głównego σ 1 a składowa pionowa σ z jest mniejszą składową σ 3. Zatem: σ 3 = ρ g z a 1+ sin Φ 1+ sin Φ σ1 = σ 3 + c 1 sin Φ 1 sin Φ W tym przypadku pozioma składowa naprężenia σ 1 definiowana jest jako parcie bierne gruntu p p może być określona z zależności w postaci: p = K ρ g z + c p p K p + sin Φ 1 sin Φ 1 gdzie: = = tg ( 45 +ϕ / ) K p

115 c K a z 0 H H P p 1 3 P a (H z 0 ) 1 H 1 3 H K a γh c K p K p γh Parcie czynne Parcie bierne Rozkład parcia czynnego i biernego

116 Metoda Coulomba Teoria Coulomba opisuje stan naprężenia w gruncie przy założeniu, że stan graniczny występuje na powierzchni zniszczenia klina odłamu powstającego podczas ruchu ściany od gruntu lub w kierunku gruntu. (W opisie Culomba uwzględniono tarcie pomiędzy ścianą a gruntem poprzez kąt δ oraz dowolnie nachylony naziom pod kątem β i dowolnie zorientowanąścianę do pionu pod kątem α). δ P a δ P p (a) Parcie czynne (b) Parcie bierne Powierzchnie zniszczenia w sąsiedztwie ściany oporowej

117 Charakterystyka sił działających na klin odłamu w sąsiedztwie ściany: Teoria Coulomba: przypadek parcia czynnego z c = 0

118 W stanie granicznym występuje równowaga pomiędzy ciężarem klina odłamu a siłą reakcji P pomiędzy gruntem i ścianą oraz siłą reakcji R na płaszczyźnie zsuwu klina odłamu. Zatem parcie czynne i bierne określają następujące zależności: P a 1 = K ρ g H K a ac c H P p 1 = K ρ g H + K p pc c H gdzie: K - współczynniki parcia czynnego i biernego zależne odpowiednio od Φ, c, δ i c w, H-wysokość ściany. C - spójnoścgruntu

119 Przy obliczaniu parcia zgodnie z teorią Coulomba przyjmuje się szereg założeń upraszczających: 1. Grunt za ścianą jest ośrodkiem jednorodnym izotropowym.. Część gruntu wywierająca parcie na ścianę jest oddzielona od gruntu pozostałego płaszczyzną nachyloną do poziomu pod pewnym kątem. Płaszczyznę tę nazywa się płaszczyzną odłamu. 3. Płaszczyzna odłamu przechodzi przez dolną tylną krawędźściany. 4. Cześć gruntu wywierająca parcie na ścianę i ograniczona tylną powierzchnią ściany, płaszczyzną odłamu i linią naziomu nazywa się klinem odłamu. Klin odłamu znajduje się w warunkach równowagi granicznej i wobec tego w płaszczyznach oddzielających od ściany od pozostałej części gruntu istnieją siły tarcia. 5. Parcie gruntu na ścianę równe jest parciu tego z przyjętych klinów odłamu (odpowiadających równym kątom nachylenia płaszczyzny odłamu), który wywołuje największe parcie.

120 W pośrednim stanie przemieszczenia rozróżnia się parcie pośrednie gruntu E 1 zawarte między parciem czynnym a parciem spoczynkowym, spełniające warunki: Ea < E1 < E0, w którym: ρ 1 Parcie Pośrednie Gruntu ρ < ρ < 1 dop - przemieszczenie uogólnione, przy którym powstaje parcie pośrednie, ρ a - przemieszczenie uogólnione niezbędne do powstawania parcia granicznego, - dopuszczalna wartość przemieszczenia uogólnionego ρ dop UUogólnione przemieszczenie ρ jest wypadkową przemieszczeń podstawowych konstrukcji: przemieszczenia kątowego ściany oporowej osiadania krawędzi ściany oporowej s ϑ = s / B przemieszczenia krawędzi ściany oporowej f ρ a

121 Przemieszczenie ściany oporowej

122 Przemieszczenie uogólnione, przy którym powstaje parcie pośrednie gruntu, wyznacza się z zależności: ρ 5 = ρ + 0, I, II n ρ b gdzie: ρ b - przemieszczenie konstrukcji w fazie układania i zagęszczania zasypki gruntowej; jeżeli za ścianą zalega grunt rodzimy ρ b = 0, ρ n - przemieszczenie konstrukcji po wyprofilowaniu górnej warstwy naziomu lub przemieszczenie w gruncie naturalnym.

123 Odpór pośredni E II, mniejszy od stanu granicznego wystąpi w pośrednim stanie przemieszczenia ściany oporowej do gruntu E 0 < E II < E p dla ρ < ρ < II dop ρ p przy czym: ρ II ρ odp - przemieszczenie uogólnione, przy którym powstaje odpór pośredni, - dopuszczalna wartość przemieszczenia uogólnionego, ρ p - przemieszczenie uogólnione niezbędne do powstania odporu granicznego. Można stosować zastępczy liniowy schemat wyznaczania odporu pośredniego gruntu według następujących wzorów: przy 0 ρ II ρ p ' = ρ p / E II = E 0 ρ II E p ρ p E ' 0 przy ρ ' < ρ < ρ i przypadkach, dla których p II p ρ dop > ρ p ' E = II E p

124 Parcie Silosowe Rozwiązując statyczne równanie stanu granicznego w układzie osiowo symetrycznym, uzyskuje się zależność pozwalającą na wyznaczenie wartości składowej normalnej parcia silosowego w postaci: σ = n K s γ R w którym: R-promień silosu γ -ciężar objętościowy materiału wypełniającego silos K s -współczynnik parcia silosowego odczytany z nomogramów

125 Nośno ność Podłoża a Gruntowego Przebieg Odkształceń Obciążonego Podłoża a) b) c) s I Q 1 Q Q f A A A q = Q A II τ =τ f III d) Osiadanie Podnoszenie się s q const q prop q f q = q Q LB III faza Osiadanie fundamentu i odkształcenia podłoża w miarę wzrostu obciążenia; a) faza I (osiadanie proporcjonalne do nacisku), b) faza II (częściowe uplastycznienie się gruntu pod krawędziami fundamentu ) f, c) faza III (wypieranie gruntu spod fundamentu w miarę zwiększania nacisku), d) wykres przyrostu osiadania fundamentu. τ =τ

126 Obciążenie Krytyczne Za obciążenie krytyczne przyjmuje się obciążenie, którego przekroczenie powoduje w podłożu gruntowym, poniżej krawędzi powierzchni obciążonej, powstanie strefy uplastycznienia. W obrębie strefy uplastycznienia grunt znajduje się w stanie granicznym. a) b) c) d) Q q śr <q kr q śr =q kr q śr >q kr q śr =q gr Strefa uplastycznienia Rozszerzenie się stref uplastycznienia gruntu w miarę wzrostu obciążenia

127 gdzie: γ D C Ф q kr = ( γd + c ctgφ) π π ctgφ + Φ -ciężar objętościowy gruntu - zagłębienie dna wykopu poniżej przyległego naziomu - opór spójności (kohezja) gruntu poniżej dna wykopu -kąt tarcia wewnętrznego gruntu poniżej dna wykopu Postać ogólna wzoru: q kr = cm c + γ DM q gdzie: M c π ctgφ + Φ + = ctgφ 1 π ctgφ + Φ M q = ctg ctg Φ Φ + + Φ Φ + π π

128 Obciąż ążenie Graniczne B q f E 45 Φ 45 Φ A T c C Φ B T c γ 0 D 45 Φ E D D E p E p D ABC= CAB=Φ AED= EAD=45-Φ/ T=c B/ tgφ Schemat sił działających na podłoże i w podłożu w warunkach granicznego stanu naprężenia (wg Terzaghiego)

129 Obciążenie graniczne podłoża według Terzaghiego Schultzea (1967): q f B = 1 + 0,3 cn γ c + DDNq + 1 0, L B L γ B BN γ gdzie: γ -ciężar objętościowy gruntu B - szerokość fundamentu L - długość N c, N q i N γ -współczynniki, zależne od kąta tarcia wewnętrznego gruntu pod fundamentem Wartości N c, N q i N γ podane są w normie PN-81/B-0300 w zależności od obliczeniowej wartości kąta tarcia wewnętrznego Ф (r).